阿克蘇河流域綠洲森林景觀格局變化及指標(biāo)分析與評價

張志軍，頡小華，李華，方杰，盧海燕

(1.阿克蘇地區(qū)林業(yè)發(fā)展保障中心，新疆 阿克蘇 843000；2.新疆重點(diǎn)林業(yè)工程質(zhì)量管理總站，新疆 烏魯木齊 830000)

沈玉凌(中科院新疆地理研究所)闡述了綠洲的概念，概括了綠洲四個特征[1]，明確綠洲在干旱區(qū)的重要性。在對綠洲本質(zhì)特征的總結(jié)中，新疆大學(xué)周躍質(zhì)等提出水是綠洲存續(xù)和變化的決定性因素，是綠洲生產(chǎn)力的核心[2]。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)侯平等認(rèn)為平原人工綠洲生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)在新疆整個生命支持系統(tǒng)生態(tài)安全保障中處于核心地位[3]，由此可見，阿克蘇河流域平原人工綠洲的森林資源對綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人居環(huán)境改善和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的屏障作用，評價和分析綠洲森林資源指標(biāo)顯得尤為重要。目前綠洲內(nèi)以人工林為主，防護(hù)林和經(jīng)濟(jì)林是組成綠洲森林的主要特征，是維護(hù)綠洲生態(tài)穩(wěn)定的主要因素。綠洲的森林覆蓋率是評價承載絕大多數(shù)經(jīng)濟(jì)社會活動環(huán)境的關(guān)鍵生態(tài)指標(biāo)，由于阿克蘇河流域綠洲界線沒有確定，造成綠洲森林覆蓋率指標(biāo)數(shù)據(jù)缺失，本次研究，量化了阿克蘇河流域綠洲森林覆蓋率。

塔里木盆地四周，伴隨河流分布了許多割裂的綠洲，阿克蘇河流域綠洲，是塔里木盆地西北部經(jīng)濟(jì)活動最為活躍的綠洲之一。綠洲內(nèi)養(yǎng)育人口近260萬人，是工農(nóng)業(yè)的主要載體。東北林業(yè)大學(xué)梁萬君等應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)理論，對吉林防護(hù)林的帶斑比、連接度、環(huán)度、林帶均衡度指標(biāo)，分析了防護(hù)林庇護(hù)農(nóng)區(qū)生態(tài)價值的方法[4]。中科院的東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所史曉亮等認(rèn)為上述評價防護(hù)林的方法，對農(nóng)田防護(hù)林的經(jīng)營和管理實(shí)際指導(dǎo)意義不明顯，提出了農(nóng)田林網(wǎng)景觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性動態(tài)評價的看法[5]，更多從現(xiàn)狀防護(hù)林情況和庇護(hù)斑塊方面，解決了宏觀評價的不足。本次研究解決的重點(diǎn)是：立足現(xiàn)狀平原區(qū)人工綠洲林地資源，按照《綠洲防護(hù)林體系建設(shè)技術(shù)規(guī)程》[6]，評價綠洲的森林覆蓋率及構(gòu)成要素，分析影響綠洲生態(tài)安全的主要林種及現(xiàn)狀情況，評價平原區(qū)綠洲農(nóng)田防護(hù)林的實(shí)際生態(tài)防護(hù)水平和增長的潛力。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域土地總面積為547.016 4萬hm2，位于天山南麓中段西部地區(qū)，地理位置在75°35′—82°00′ E,40°17′—42°27′ N之間，屬暖溫帶大陸性干旱氣候。流域主要包括托什干河、庫瑪力克河、柯柯牙爾河和阿克蘇河干流。流域內(nèi)涉及阿克蘇市、溫宿縣、阿瓦提縣、烏什縣4個縣33個鄉(xiāng)鎮(zhèn)485個行政村。4個縣域土地中人工綠洲面積61.652 3萬hm2，耕地面積28.129 0萬hm2，綠洲面積占土地總面積的11.3%，阿克蘇河流域的社會經(jīng)濟(jì)活動基本在人工綠洲內(nèi)進(jìn)行，因此，綠洲森林資源的變化，對綠洲人居和生態(tài)環(huán)境影響較大。

阿克蘇河流域綠洲平原人工林區(qū)年降水量僅為50～80 mm，屬于灌溉林業(yè)。人工綠洲大部分在平原區(qū)，年平均氣溫9～10.2 ℃，極端最高氣溫和極端最低氣溫分別是39.2 ℃和-20.5 ℃。5—8月降水量占全年降水量的60%～80%。多年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)、次多風(fēng)向偏東風(fēng)。年平均大風(fēng)日數(shù)為7.7 d。平均風(fēng)速春、夏季最大，分別為1.84、1.68 m·s-1；冬季最小，為0.56 m·s-1；秋季介于中間，為0.86 m·s-1。人工綠洲內(nèi)土壤類型主要是壤沙土、灰鈣土、灌淤土、沙壤土、沙土等。人工栽植的主要林木是新疆楊、銀白楊、箭桿楊、柳樹、胡楊、白榆、沙棗、白蠟、沙棘等，還栽植有大量的核桃、紅棗、蘋果、梨樹、杏樹、桃樹等經(jīng)濟(jì)落葉果樹。綠洲內(nèi)還分布有鄉(xiāng)土荒漠灌木鈴鐺刺、黑果枸杞、野薔薇、檉柳、沙拐棗等。

綠洲內(nèi)組成森林的優(yōu)勢林種以3種形式存在，一種是防風(fēng)固沙林，大多是生態(tài)樹種以林帶或片林形式，分布在綠洲邊緣或農(nóng)田周圍。一種是農(nóng)田防護(hù)林，大部分以新疆楊的林帶形勢分布在耕地、果園四周。一種是經(jīng)濟(jì)落葉果樹呈現(xiàn)片林形式，由以前的耕地發(fā)展而來。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

本次研究從綠洲內(nèi)485個行政村抽取了40個樣本村，占流域范圍內(nèi)行政村數(shù)量的8%。樣本村均勻分布流域范圍內(nèi)，涉及綠洲的邊緣和內(nèi)部的森林資源情況。分析的遙感數(shù)據(jù)時間分別是2009年度和2017年，具體抽樣的情況分析見表1。

表1 阿克蘇河流域行政區(qū)劃及土地面積情況一覽表

本研究采集的森林資源數(shù)據(jù)是，利用高分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，有BRD(Band Residual Difference Algorithm)多光譜融合影像和國家資源三號衛(wèi)星的多光譜融合影像。(BRD衛(wèi)星影像采集于2009年8—10月間，cellsize是2.1,2.1。資源三號衛(wèi)星影像采集于2017年7-8月間，cellsize是5,5)。通過對不同歷史時期的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、幾何校正、假彩色合成，采用一致的西安80坐標(biāo)系進(jìn)行配準(zhǔn)，將樣本村的土地利用現(xiàn)狀類型劃分為耕地、果園、農(nóng)田防護(hù)林、片狀庭院、片狀防風(fēng)固沙林5種類型，外業(yè)對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀和驗(yàn)證，總體分類精度為96.2%。在GIS平臺上對以上地類信息進(jìn)行提取，圖斑邊界矢量化、拓?fù)錂z查、合并、添加字段、并附于地理空間和面積等屬性信息。利用現(xiàn)狀遙感影像，按照綠洲防護(hù)林建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，勾繪在現(xiàn)狀庇護(hù)農(nóng)田斑塊、理想狀態(tài)林網(wǎng)的格局，進(jìn)一步矢量理想狀態(tài)林網(wǎng)的面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林資源總體變化情況

表2和表3顯示，2009年阿克蘇河流域綠洲森林覆蓋率是11.21%，2017年森林覆蓋率增加到22.57%。農(nóng)防林森林覆蓋率則由2009年的1.47%，增加到2017年的1.93%，果樹林森林覆蓋率則由2009年的9.28%，增加到2017年的20.17%。在綠洲森林覆蓋率的貢獻(xiàn)上，果樹林增長較快，面積上占絕對比重。

從2009—2017年，綠洲森林覆蓋率高的村從44.23%增加76.91%，低的村從1.76%增加4.36%，甚至沒有多大增長。尤其是阿瓦提縣處于流域下游，各村綠洲森林覆蓋率普遍增長緩慢且不高。統(tǒng)計分析情況見表2、表3。

表2 阿克蘇河流域抽樣村 2009年度森林資源情況一覽表

表3 阿克蘇河流域抽樣村2017年度森林資源情況一覽表

3.2 防護(hù)林和經(jīng)濟(jì)林在時間跨度上變化情況

在阿克蘇河流域上游水源條件好的縣市，綠洲森林覆蓋率變化較大，增長最多的是阿克蘇市、溫宿縣和烏什縣。2009—2017年期間，阿克蘇市、溫宿縣、烏什縣在調(diào)整農(nóng)村種植產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，果樹林發(fā)展強(qiáng)勁。同時地緣經(jīng)濟(jì)影響比較明顯，處于城市經(jīng)濟(jì)消費(fèi)圈的村，森林覆蓋率增加的也比較快，尤其是果樹林面積增長較快；分析顯示，農(nóng)防林覆蓋率增長緩慢，果樹林是綠洲森林覆蓋率增長最快的林種。具體分析抽樣村的情況見圖1。

圖1 2009年和2017年，阿克蘇市、溫宿縣、烏什縣、阿瓦提縣農(nóng)防林和果樹增長情況

3.3 農(nóng)田防護(hù)林帶斑比分析

理想狀態(tài)的林網(wǎng)格局在寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)與更新主要技術(shù)參數(shù)優(yōu)化中[7]，認(rèn)為“主林帶間距270～450 m，副林帶間距為600～700 m，網(wǎng)格面積16.67～33.33 hm2”。在綠洲防護(hù)林體系建設(shè)規(guī)程[6]中，針對新疆綠洲氣候情況，提到主林帶間距200～300 m，副林帶間距為400～600 m，網(wǎng)格面積8～18 hm2，該規(guī)程是符合塔里木盆地綠洲農(nóng)田林網(wǎng)需要庇護(hù)的斑塊現(xiàn)實(shí)大小的，由于綠洲農(nóng)田林網(wǎng)建設(shè)需要結(jié)合現(xiàn)狀路、渠、田塊進(jìn)行規(guī)劃，本次通過2017高分別率遙感影像來判讀斑塊數(shù)(即種植區(qū)農(nóng)用地)，按照網(wǎng)格面積8～18 hm2理想庇護(hù)狀態(tài)，勾繪理想狀態(tài)農(nóng)田林網(wǎng)，計算主林帶長度和面積，副林帶長度和面積。通過計算，理想狀態(tài)下農(nóng)防林覆蓋率(帶斑比)應(yīng)該在5.33%～11.99%，阿克蘇河流域平原區(qū)人工綠洲農(nóng)田防護(hù)林景觀格局帶斑比達(dá)到9.27%，較為理想，具體計算分析目標(biāo)值見表4。

3.4 農(nóng)田林網(wǎng)連接度情況分析

農(nóng)田林網(wǎng)連接度指標(biāo)，是評價林網(wǎng)完整性的主要指標(biāo)，可以直觀表達(dá)出林網(wǎng)庇護(hù)農(nóng)田的等級。按照現(xiàn)狀土地斑塊數(shù)量和理想狀態(tài)的林網(wǎng)，東北林業(yè)大學(xué)梁萬君等提出理想狀態(tài)林網(wǎng)的連接度合理的指標(biāo)是0.966 6[8]。分析阿克蘇河流域現(xiàn)狀林網(wǎng)和理想狀態(tài)林網(wǎng)長度，用現(xiàn)狀林網(wǎng)長度與理想狀態(tài)下，耕地斑塊面積分別在8和18 hm2的林網(wǎng)長度的比值，計算出兩種理想狀態(tài)的連接度，平均兩種狀態(tài)下連接度作為農(nóng)田林網(wǎng)的現(xiàn)狀連接度，計算現(xiàn)狀連接度是0.21，具體分析指標(biāo)值見表5。通過主林帶和副林帶的理想狀態(tài)寬度，進(jìn)一步計算出需要建設(shè)林網(wǎng)的面積指標(biāo)，并確定理想狀態(tài)后綠洲森林覆蓋率。分析數(shù)據(jù)得出，目前林網(wǎng)連接度較低，庇護(hù)農(nóng)田的功能較差，距離理想狀態(tài)的林網(wǎng)格局還有很大差距。

表4 阿克蘇河流域農(nóng)防林帶斑比建設(shè)目標(biāo)測算表

表5 阿克蘇河流域按照不同庇護(hù)標(biāo)準(zhǔn)情況林網(wǎng)連接度分析結(jié)果一覽表

通過現(xiàn)狀指標(biāo)和理想指標(biāo)，綠洲內(nèi)在穩(wěn)定林果種植基地的情況下，增加農(nóng)田林網(wǎng)面積是提高綠洲森林覆蓋率的主要方向，并計算出需要建設(shè)農(nóng)田防護(hù)林的目標(biāo)值和預(yù)期綠洲的森林覆蓋率，具體目標(biāo)值見表6。

表6 阿克蘇河流域理想狀態(tài)綠洲森林覆蓋率目標(biāo)值分析表

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

通過以上分析，進(jìn)一步明確了阿克蘇河流域綠洲的森林覆蓋率現(xiàn)狀，現(xiàn)狀綠洲森林覆蓋率為22.57%，可以作為新農(nóng)村建設(shè)村莊綠化的基礎(chǔ)指標(biāo)。綠洲森林覆蓋率提高的主導(dǎo)因素是果樹林。從綠洲防護(hù)林建設(shè)規(guī)范的技術(shù)角度，決定綠洲生態(tài)安全的農(nóng)防林景觀因子是帶斑比和連接度，從目前的分析顯示，農(nóng)防林帶斑比為1.93%，按照耕地斑塊現(xiàn)狀，測算出綠洲農(nóng)田防護(hù)林景觀帶斑比要達(dá)到9.27%，才能達(dá)到很好的庇護(hù)效果，目前，帶斑比現(xiàn)狀與理想狀態(tài)的差距很大。農(nóng)田林網(wǎng)的現(xiàn)狀連接度是0.21，合理的指標(biāo)是0.966 6，從分析數(shù)據(jù)看，現(xiàn)狀與理想相差也很大。以上農(nóng)防林兩個景觀因子指標(biāo)顯示，阿克蘇河流域的農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)現(xiàn)狀不理想，防護(hù)林建設(shè)還有較大差距，尤其是綠洲邊緣的農(nóng)防林建設(shè)。另一方面，綠洲農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)，是干旱區(qū)綠洲森林資源培育的主要方向。

4.2 討論

4.2.1 社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對綠洲林地資源變化的影響較大，尤其是果樹林占比森林資源的比例偏大，盡管經(jīng)過30多年農(nóng)防林建設(shè)和平原綠化達(dá)標(biāo)活動，綠洲農(nóng)防林建設(shè)還是比較薄弱，并影響到平原區(qū)綠洲生態(tài)安全。另一方面，農(nóng)防林具有公益性質(zhì)，增長緩慢嚴(yán)重影響綠洲的生態(tài)穩(wěn)定，果樹林由于市場屬性，雖然可以統(tǒng)計到綠洲森林覆蓋率中，但是，不能作為綠洲生態(tài)建設(shè)的指標(biāo)進(jìn)行評價綠洲生態(tài)建設(shè)現(xiàn)狀。

4.2.2 目前農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)距離理想狀態(tài)，無論是建設(shè)農(nóng)防林占地面積還是庇護(hù)農(nóng)田的生態(tài)能力，都有很大差距，仍有較大的建設(shè)空間。尤其是綠洲邊緣的農(nóng)防林存量少，缺帶斷帶等情況，在春季的倒春寒和7—9月的大風(fēng)天氣中，削弱了庇護(hù)綠洲的效益。

4.2.3 綠洲農(nóng)防林建設(shè)是綠洲生態(tài)建設(shè)的主要方向，是綠洲可持續(xù)發(fā)展的決定性因素，長期以來，水是生態(tài)建設(shè)的主導(dǎo)因素，合理配置水資源的同時，農(nóng)防林在發(fā)展中，應(yīng)以耐旱、抗逆性強(qiáng)的良種喬木為主，減少對生態(tài)用水的需求。